Proposition de progression de la classe de Quatrième

(B.O. hors série n°1 du 13 février 1997)

a) Montage en série : Faire le schéma normalisé d’un circuit comprenant en série une pile, deux lampes, un interrupteur. Combien de fils de connexions utilise-t-on ? Sur ce schéma identifier les bornes de la pile et représenter par une flèche le sens du courant. Réaliser ce montage avec un générateur 6V et 2 lampes de tension nominale chacune de 3,5 V.

b) Montage en dérivation : Faire le schéma normalisé d’un circuit comprenant en dérivation une pile, une lampe, une résistance. Représentez le sens du courant parcourant chaque dipôle. Réaliser ce montage avec un générateur 6V et 2 lampes de tension nominale chacune de 6 V

c) Comparaison : quels sont les avantages et les inconvénients de chaque Montage ?

S 2. Comment Mesurer l’intensité du courant I 

a) Définition de l’intensité: C’est la quantité d’électricité qui traverse en une seconde une section droite d’un conducteur. Elle s’exprime en ampère (A). Pour les courants faibles on utilise le milliampère (mA), 1mA=0.001A=10^-3A , ou encore le microampère (µA) avec 1 µA = 0,001mA = 0,000001A = 10^-6A

b) Mesurer l’intensité I : Présentation du multimètre, Description et mode de fonctionnement d’un ampèremètre : les bornes " 10 A " ou " mA " sont des bornes d’entrées et la borne " com " est une borne de sortie du courant. L’ampèremètre est un détecteur de charges électriques, il doit être traversé par ces charges pour mesurer l’intensité du courant. Pour Cette raison l’ampèremètre se branche toujours en série avec les récepteurs. Il est indispensable d’ouvrir le circuit pour insérer l’ampèremètre.

c) Exemples de mesures de l’intensité.

S 3. Mesurer I 

Matériel pour groupe de 2 ou 4 élèves: pile 4.5V ou générateur 6V/12V, interrupteur, lampes, 2 ampèremètres et fils de connexions.

a) Schématisez puis réalisez un circuit simple : Placez un ampèremètre entre l’interrupteur et la lampe pour mesurer l’intensité I qui la traverse. Noter la valeur de I (en A). Inversez le sens de branchement aux bornes de la pile. Que constatez-vous ?

b) Un deuxième ampèremètre dans le circuit : Au montage précédent, placez un deuxième ampèremètre entre la lampe et la borne (-) de la pile : vérifiez que l’ajout de ce deuxième ampèremètre ne modifie pas l’intensité du courant et que le courant qui entre dans la lampe et qui y ressort est le même.

c) Reprendre la même expérience avec d’autres récepteurs (autre lampe, moteur, résistance…)

S 4. Lois de l’intensité I en courant continu (1)

a) Unicité de l’intensité dans un montage en série : Schématisez puis réalisez un circuit comportant un générateur G, un interrupteur, une lampe L montée en série avec une résistance R. Mesurez les intensités I_G, I_L et I_R qui traversent respectivement le générateur, la lampe et la résistance. Inversez les positions de L et de R et refaites les mesures précédentes. Concluez. Dans un montage en série, l’intensité du courant est la même en tout point du circuit : loi d’unicité de l’intensité (I_G = I_L = I_R).

b) De quoi dépend l’intensité ? Placez une seconde lampe en série dans le circuit précédent (a). Mesurez l’intensité qui parcourt les lampes et la résistance et la comparez à valeur de I mesurée à la question (a). Concluez. Remarquez que l’intensité totale diminue avec l’ajout d’un récepteur dans le circuit en série.

S 5. Lois de l’intensité I en courant continu (2)

Matériel pour groupe de 2 ou 4 élèves: pile 4.5V ou générateur 6V/12V, interrupteur, lampes, résistances, 2 ou 3 ampèremètres et fils de connexions.

a) Conservation de l’intensité dans un montage en dérivation: Schématisez puis réalisez un circuit comportant un générateur G, un interrupteur, une lampe L montée en dérivation avec une résistance R. Mesurez les intensités I_G, I_L et I_R qui traversent respectivement le générateur, la lampe et la résistance. Que constatez-vous ? L’intensité se conserve dans un montage en dérivation : loi de conservation de l’intensité (I_G = I_L + I_R).

b) Cas particuliers où les récepteurs sont identiques : Reprendre l’activité a) ci-dessus et montrer que l’intensité principale égale n fois l’intensité parcourant chaque récepteur où n représente le nombre de branches montées en parallèle contenant chacune un récepteur. Dans un montage en dérivation, l’intensité principale augmente avec le nombre des branches.

a) Notion de tension électrique : L’inscription en " volt " portée sur une pile ou un générateur caractérise ces appareils. Plus la valeur de cette inscription est élevée plus l’appareil est capable de fournir un courant fort dans le circuit. Cette grandeur physique qui s’exprime en volt (V) est appelée tension électrique, noté U. Pour les tensions élevées on utilise le kilovolt (kV) et pour les faibles on utilise le millivolt (mV) avec 1kV = 10³ V = 10⁶ mV  ; 1mV = 10^-3 V = 10^-6 kV.

b) Mesurer la tension électrique U : Description et mode de fonctionnement du voltmètre : la borne " V " doit être reliée directement ou indirectement à la borne plus du générateur et la borne " com " à sa borne moins. Le voltmètre mesure la tension électrique entres les bornes d’un dipôle. Le voltmètre se branche toujours en dérivation avec le dipôle.

c) Mesurer la tension U : Matériel pour groupe de 2 ou 4 élèves: pile 4.5V ou générateur 6V/12V, interrupteur, lampes, 1 voltmètre et fils de connexions.

Mesurez la tension entre les bornes d’un générateur isolé puis aux bornes d’une lampe alimentée par le générateur. Que constatez – vous quand vous inversez le sens de branchement ?

S 7. Lois des tensions U en courant continu (1)

Matériel : pile 4.5V ou générateur 6V/12V, interrupteur, lampes, résistances, 2 ou 3 voltmètres et fils de connexions.

a) Additivité des tensions dans un montage en série : Schématisez puis réalisez un circuit comportant un générateur G, un interrupteur, une lampe L montée en série avec une résistance R. Mesurez les tensions U_G, U_L et U_R appliquées respectivement entre les bornes du générateur, de la lampe et de la résistance. Inversez les positions de la lampe et de la résistance et vérifiez que l’ordre de ces dipôles n’a aucun effet sur les valeurs des tensions mesurées précédemment. Concluez. Dans un montage en série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions appliquées entre les bornes des récepteurs: loi d’additivité des tensions (U_G = U_L + U_R).

b) Cas particulier où les récepteurs sont identiques : Reprendre l’activité (a) ci-dessus.

S 8. Lois des tensions U en courant continu (2)

Matériel : pile 4.5V ou générateur 6V/12V, interrupteur, lampes, résistances, 2 ou 3 voltmètres et fils de connexions

a) Unicité de la tension dans un montage en dérivation : Schématisez puis réalisez un circuit comportant un générateur G, un interrupteur, une lampe L montée en dérivation avec une résistance R. Mesurez les tensions U_G, U_L et U_R. Que constatez-vous ? Les tensions mesurées sont les mêmes. Dans un montage en dérivation les tensions appliquées aux bornes de chaque branche du circuit sont égales à la tension du générateur : loi d’unicité de la tension (U_G = U_L = U_R).

c) Cas particulier où les récepteurs sont identiques : Reprendre l’activité (a) ci-dessus.

Matériel : générateur 6V/12V, 1lampe 6V ou 12V, 1ampèremètre, 2 voltmètres, interrupteurs et fils de connexions

S 10. Evaluation des travaux pratiques (1/2 classe)

S 11. L’état gazeux 

I) Rappels 5è

a) Un modèle particulaire pour expliquer l’état gazeux

Dans un gaz, les molécules sont très espacées les unes aux autres et sont animées de mouvements désordonnés et incessants.

b) Expansibilité des gaz :Un gaz occupe tout le volume qui lui offert.

c) Les gaz se mélangent facilement : Distinguer un gaz pur d’un mélange de gaz.

II) L’air est un mélange de gaz

a) Composition de l’air. En volume : dans 1 L d’air, on trouve environ 0.8 L de diazote et 0.2 L de dioxygène. En molécule : l’air contient environ 4 molécules de diazote pour 1 molécule du dioxygène (en négligeant la présence des autres gaz)

b) Une propriété du dioxygène et du diazote : Quand on brûle un combustible dans l’air, c’est le dioxygène qui entretient la combustion et non le diazote.

S 12. Compressibilité de l’air.

a) L’air est compressible. Comment mesurer la pression d’un gaz : seringue contenant de l’air reliée à un manomètre. La pression se mesure à l’aide d’un manomètre et s’exprime en pascal (Pa), 1hPa (hectopascal) = 100Pa. D’autres unités peuvent être utilisées comme le bar, 1 bar =1000 hPa

b) Caractère compressible de l’air : A température constante, la pression de l’air (du gaz) augmente quand le volume de l’air diminue et vice - versa. A volume constant (enceinte fermée, de volume V, contenant un gaz) la pression du gaz augmente avec la température.

c) Interprétation moléculaire de la compressibilité des gaz : dans un gaz comprimé, l’espace vide entre les molécules diminue ; le nombre de chocs entre les particules et contre les parois de l’enceinte augmente.

S 13. Poids de l’air

a) La pression atmosphérique : sa mise en évidence, De quoi dépend la pression atmosphérique ? Elle diminue avec l’altitude, au niveau de la mer elle vaut environ 1000 hPa. Activités documentaires : Pression atmosphérique et météorologie.

b) L’air est pesant : mesurer la masse d’un litre d’air (recueillir 1L d’air par déplacement d’eau), à la température 25°C et sous la pression atmosphérique, la masse d’un litre d’air est environ 1,3 g. Cette masse dépend de la température et de la pression de l’air.

S 14. Un produit naturel : le dioxygène

a) Origine biologique du dioxygène : les plantes vertes produisent du dioxygène par synthèse chlorophyllienne. Le dioxygène est nécessaire à la vie.

b) Le dioxygène comprimé en bouteilles : A partir de l’air liquide (refroidissement de l’air atmosphérique) on extrait le dioxygène par distillation. C’est un produit naturel.

c) Obtention du dioxygène par voie chimique en laboratoire : Par action d’une solution d’eau oxygénée sur une solution de permanganate de potassium on obtient le dioxygène. Dispositif expérimental. Ces produits sont corrosifs et nocifs, leur utilisation nécessite le port des gants et des lunettes ; sécurité en chimie.

d) Faire un test de reconnaissance du dioxygène : une bûchette incandescente s’enflamme dans le dioxygène.

S 15. La combustion est une réaction chimique

a) Distinguer transformation chimique et transformation physique : le papier qui brûle à l’air se transforme en cendre et en d’autres corps, il y a production de nouvelles substances. Le papier suit une transformation chimique. En revanche, l’eau qui bout à 100 °C et sous la pression atmosphérique suit une transformation physique puisqu’elle passe de l’état liquide à l’état vapeur sans produire des nouveaux produits.

b) Qu’est-ce que la combustion ? Dans l’exemple a) le papier qui se consume est le combustible et l’air représente le comburant : c’est la combustion du papier. Dans une combustion, la présence simultanée d’un combustible et d’un comburant est obligatoire.

c) La combustion du carbone : brûler le fusain dans l’air et dans le dioxygène pur ; observer,

analyser et identifier. Notion de réactifs et de produits. Mise en évidence du dioxyde de carbone par l’eau de chaux.

S 16. La combustion du méthane

a) Combustion du méthane : expérience (avec la flamme du bec Bunsen sinon utiliser le butane), mise en évidence du dioxyde de carbone par l’eau de chaux et l’eau par le sulfate de cuivre anhydre.

b) Danger d’une combustion incomplète: La combustion incomplète du carbone ou du méthane en quantité insuffisante du dioxygène ou chauffage défectueux. Elle entraîne la formation du monoxyde de carbone (gaz très toxique).

S 17. La combustion des métaux

a) Combustion vive du fer dans le dioxygène : Protocole expérimental. Formation d’un produit solide : oxydes de fer, parmi eux on trouve l’oxyde magnétique de fer)

b) Combustion du magnésium dans le dioxygène et dans le dioxyde de carbone : expériences et observations. Résultats : formation d’une poudre blanche (oxyde de magnésium) dans la première expérience et d’une poudre noire (carbone) et l’oxyde de magnésium dans la seconde. On montre qu’il existe d’autres comburants que le dioxygène.

S18. Un modèle pour comprendre la transformation

chimique : les atomes

a) Atome et molécule : La matière est faite d’atomes. Symboles des atomes : oxygène (O), carbone (C), hydrogène (H), azote (N), magnésium (Mg), fer (Fe) etc .......

Molécules : Assemblage d’atomes, dioxygène (O₂ ), dihydrogène (H₂ ), diazote (N₂ ), dioxyde de carbone (CO₂ ), eau (H₂O), méthane (CH₄ ).Illustrer ces molécules à l’aide des "modéles" moléculaires compacts, les atomes sont représentés par des sphères.

La combustion est une réaction chimique, les réactifs se transforment (disparaissent) pour donner des produits (corps nouveaux), dans laquelle les atomes se réarrangent pour former de nouvelles substances. Les atomes qui forment ces substances sont de même nature et en même nombre que dans les réactifs : c’est la conservation de la matière.

Autres combustions : réaction du fer avec le dioxygène et réaction du magnésium avec le dioxygène et le dioxyde de carbone.

S 19. Substance naturelle et substance de synthèse

a) Qu’est-ce qu’une substance de synthèse ? Une substance naturelle existe dans la nature tandis qu’une substance de synthèse s’obtient par voie chimique qui nécessite l’intervention des chimistes.

b) Synthèse du dioxyde de carbone : on produit le dioxyde de carbone par d’autres réactions

chimiques différentes de la combustion du fusain : par action de l’acide chlorhydrique sur le calcaire, par exemple. Le dioxyde de carbone obtenu par cette réaction est identique à celui existant dans la nature.

c) Synthèse d’un arôme : qu’est-ce qu’un arôme ? Saveur et odeur d’un aliment ou d’une boisson, substances naturelles et substances de synthèse. Un arôme naturel n’est pas un corps pur mais un mélange très complexe constitué souvent de plus de 100 molécules (ou substances). L’arôme de synthèse ne contient qu’un seul corps pur ou un mélange très simple de corps purs. Synthétiser l’arôme de banane, dispositif expérimental, mélange réactionnel (acide acétique et alcool isoamylique + quelques gouttes d’acides sulfurique pour catalyser la réaction). L’arôme à odeur et saveur de banane obtenu est l’acétate d’isoamyle formé d’une seule molécule : c’est un arôme artificiel.

a) Guider les élèves dans une recherche documentaire sur les thèmes suivants : pollution atmosphérique, effet de serre, les conséquences des trous de la couche d’ozone et les pluies acides. Les élèves travaillent par groupe de 4 et disposent de 3 semaines pour réaliser un dossier sur l’un de ces quatre thèmes.

b) Remise des dossiers : On écoutera quelques groupes exposer leurs recherches. On pourra éventuellement critiquer ces travaux et améliorer ainsi leurs méthodes de travail.

I) Sources de lumière et système solaire

S 21.  Sources de lumière

a) Distinguer source primaire et source secondaire de lumière : la première produit la lumière qu’elle émet et la seconde renvoie la lumière qu’elle reçoit, citer plusieurs exemples. Sources froide et chaude de lumière : l’écran d’un téléviseur en fonctionnement est une source froide de lumière. Pour voir un objet il faut que la lumière, issue de cet objet, entre dans l’œil.

b) Notion de rayon lumineux : on représente un rayon lumineux par un segment portant une flèche indiquant le sens de propagation de la lumière. Un faisceau lumineux, ensemble de rayons, n’est pas visible mais, ce sont les poussières ou les gouttelettes d’eau éclairées par la lumière de ce faisceau qu’on voit : " matérialiser " un faisceau lumineux.

c) Diffusion de la lumière : les corps diffusants renvoient la lumière dans toutes les directions. Les objets blancs diffusent mieux la lumière que les objets sombres. Cas particuliers : corps transparents (eau, verre…) laissant passer la lumière sans la diffuser et corps parfaitement réfléchissants (miroir) renvoyant la lumière dans une seule direction bien précise. Les corps translucides (papier calque par exemple) laissent passer une partie de la lumière, diffusion de la lumière de part et d’autre de ces corps.

S 22. Propagation de la lumière

a) Comment se propage la lumière dans un milieu homogène ? La lumière se propage en ligne droite dans tout milieu transparent et homogène : propagation rectiligne. Mettre en évidence l’alignement de la source, d’un trou pratiqué sur corps opaque et de son image recueillie sur un écran.

b) Conséquence de la propagation rectiligne : ombre propre, ombres portée, zone d’ombre et pénombre, cas d’une source ponctuelle de lumière et d’une source étendue

c) La vitesse de la lumière : La lumière se propage dans le vide à la vitesse de 3*10⁸ m.s^-1, elle met 8min 20s pour nous parvenir du Soleil. Dans une année la lumière parcourt une distance de 9.46* 10¹³km, cette distance porte le nom d’année-lumière (a.l). Il est commode d’exprimer les distances entre les planètes, les étoiles, les galaxies en a.l.

S 23. le système solaire

a) Phases de la lune et phénomène des éclipses : la Lune est le satellite naturel de la Terre, elle effectue un tour autour de notre planète en 29.5 jours environ. Ses principales phases sont : la nouvelle lune, le premier quartier, la pleine lune et le dernier quartier. Pendant la pleine lune, la Lune peut se trouver dans la zone d’ombre de la Terre : c’est l’éclipse de Lune. De même, lors d’une nouvelle lune, une partie de la Terre peut se trouver dans le cône d’ombre de la Lune : c’est l’éclipse de Soleil.

b) Le Soleil, la Terre et les autres planètes : il y a 9 planètes (et d’autres objets célestes de petites tailles tels que les astéroïdes et les comètes) qui tournent autour du soleil (la seule étoile du système solaire). On distingue Mercure, la plus proche du Soleil, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et Pluton. Toutes ces planètes ont des caractéristiques différentes (tailles, masses, températures à leurs surfaces …).

c) Notre planète : expliquer les saisons et l’alternance du jour et de nuit.

S 24 : le spectre de la lumière blanche

a) Qu’appelle-t-on spectre de la lumière blanche ? Couleurs de l’arc-en-ciel. Décomposition de la lumière du jour à l’aide d’un spectroscope, observer le spectre émis par une lampe à incandescence faiblement alimentée et lorsqu’elle est soumise à sa tension nominale. Manipuler avec des écrans diffusants colorés et observer leurs spectres.

b) De quoi dépend la couleur d’un objet ? Différents filtres sont placés devant la source lumineuse pour éclairer quelques objets colorés. Lumière reçue, lumière absorbée et lumière diffusée. La couleur d’un objet dépend de la lumière qui l’éclaire.

S 25. Synthèse additive et synthèse soustractive.

a) Couleurs fondamentales : La lumière blanche est obtenue en superposant les lumières rouge, bleue et verte. Rôle des filtres colorés.

b) Synthèse additive : la superposition de ces couleurs est une synthèse additive : lumière bleue + rouge + verte = lumière Blanche. Synthèse des couleurs dites complémentaires : magenta, cyan et jaune.

c) Synthèse soustractive : couleurs complémentaires. Par exemple, la couleur jaune est la couleur complémentaire du bleue. Eclairé par la lumière blanche un filtre jaune absorbe la lumière bleue. Application : arts graphiques et couleurs.

S 26. Vision et Détecteur de lumière

a) L’œil : description, le rôle du cerveau dans l’interprétation des signaux reçus. Phénomène de persistance rétinienne : chez l’homme, l’impression des images sur la rétine est de l’ordre de 1/10 de seconde. Sur l’écran d’un oscilloscope et selon le balayage, le spot lumineux est aperçu soit comme un point qui se déplace plus ou moins vite soit comme une trace horizontale continue.

b) Les illusions optiques : illusions sur les couleurs, sur les formes, sur les distances….. Ces différentes illusions sont dues au cerveau qui interprète mal les signaux.

c) Détecteur biologique : L’œil est un détecteur de lumière, les cellules de la rétine, les cônes et les bâtonnets, absorbent la lumière. Par l’intermédiaire du nerf optique, ces cellules transmettent au cerveau des images codées.

S 27. Autres Détecteurs

a) Détecteur photochimique : dans un tube à essais contenant une solution de solution de chlorure de sodium on verse quelques gouttes d’une solution de nitrate d’argent : formation du chlorure d’argent, précipité blanc qui noircit à la lumière. On obtient le même précipité en faisant réagir le nitrate d’argent sur l’acide chlorhydrique. Sous l’action de la lumière le chlorure d’argent subit une réaction chimique, il noircit ; c’est un détecteur de la lumière. Application aux pellicules photographiques.

b) Détecteurs électroniques:

1. la photorésistance : permet de faire passer un courant ± fort suivant son éclairement. Placée en série avec une diode électroluminescente (d.e.l), un ampèremètre et une pile, la résistivité de la résistance diminue lorsque l’éclairement augmente.
2. la photodiode : la photorésistance et la d.e.l du montage précédent sont remplacées par une photodiode placée en inverse et une résistance de protection. Plus l’éclairement de la photodiode est important plus l’intensité du courant dans le circuit augmente. Application aux capteurs C.C.D. Autres détecteurs : photopile, phototransistor.

III) formation d’image

 S 28. Formation d’image

a) Comment former une image ? Lentille convergente et lentille divergente (leurs symboles); foyer et distance focale ; concentration d’énergie lumineuse.

b) Construire l’image d’un objet : reconnaître une lentille convergente (L.C) et trouver son foyer image, axe optique, rayons lumineux particuliers (un rayon passant par le centre de la lentille n’est pas dévié, un rayon passant par le foyer objet ressort de la L.C. parallèle à l’axe optique et un rayon parallèle à l’axe optique passe, à la sortie de la L.C., par le foyer image).

S 29. Etude de quelques instruments optiques

Exemples d’appareils imageurs : lunette astronomique, appareil photographique, caméscope, ou encore microscope optique ; description et fonctionnement.

S 30. Evaluation des travaux pratiques (1/2 classe)

Combustion du carbone et identification du dioxyde de carbone, spectre de la lumière blanche et rôle d’un filtre coloré.